淺埋暗挖法施工對鄰近樁基施工方案探究

田曉艷　劉靜

【摘 要】新建地鐵線路穿越大量的既有橋梁和道路，地鐵施工會擾動周圍地層，從而引起地層的沉降和變形，導致一定范圍內(nèi)橋樁基礎(chǔ)發(fā)生變形，使其承受附加應(yīng)力的作用，引起樁基的附加沉降。在地鐵施工期間，為保證橋梁樁基正常使用的前提下安全有序地進行，本文針對具體工程，對不同的淺埋暗挖法施工工況采用力學仿真分析進行對比研究，總結(jié)出合理的施工方案。

【關(guān)鍵詞】樁基；附加沉降；淺埋暗挖法；力學仿真分析；合理的施工方案

The Construction Plan Studying on Metro Construction With Mining Method on Neighboring pile foundation

TIAN Xiao-yan LIU Jing

（Civil Engineering Department， School of Mechanical Engineering， Xian Shiyou University， Xian Shaanxi 710065， China）

【Abstract】In metro construction with mining method it is inevitable that the metro will cross existing bridges and roads. Metro tunneling disturbs the ground， and may cause deformation in the Neighboring pile foundation and additional stress， which， if excessive， would cause additional settlement of the pile foundation. In order to ensure metro construction proceeds safely and orderly without affecting normal operation of the pile foundation， it is needed to study the results of the different mining methods by using numerical simulation. By comparing with the on-site test data， a reasonable construction method is put forward.

【Key words】Pile foundation； Additional settlement； Mining method； Numerical simulation； Reasonable construction method

0 引言

隨著城市地鐵工程在我國的大量修建和快速發(fā)展，新建地鐵線路將不可避免地穿越大量的既有橋梁和道路，地鐵施工必然擾動周圍地層，從而引起地層的沉降和變形[1]，地下工程施工引起地表沉降的主要原因有施工過程中地層原始應(yīng)力狀態(tài)的改變、土體的固結(jié)及土體的蠕變效應(yīng)、地層損失等，且各種因素對地表沉降的影響具有明顯的復(fù)合效應(yīng)，并非孤立的，所以地表沉降是地鐵施工過程中最大的環(huán)境問題，大的地層下沉不僅對周邊建筑物造成危害，而且在一定范圍內(nèi)引起橋梁樁基礎(chǔ)發(fā)生變形[2]，使其承受附加應(yīng)力的作用，引起樁基的附加沉降[3]。如果相鄰樁基間的差異沉降過大，便會導致橋梁結(jié)構(gòu)部分失效，從而直接危及橋梁的安全[4]。針對這一問題的探討，國內(nèi)外研究學者[5-10]已進行了大量的研究工作：國外研究學者分別采用二維模型試驗和離心機試驗，研究了在隧道推進過程中對樁基的力學性能的影響；國內(nèi)研究學者主要結(jié)合工程案例，分別從評價級別、有限元數(shù)值模擬、方案優(yōu)化、概率分析等角度研究了隧道施工對既有樁基的影響，但上述的研究工作均針對單線隧道而言，因此，本文以西安地鐵3號線雙線隧道為工程背景，為了保證地鐵施工能夠保證橋梁樁基正常使用的前提下安全有序地進行，迫切需要研究地鐵施工對其的影響問題，尋求一種安全、合理、經(jīng)濟的施工方案[11]就成為一項重要的課題。

1 隧道開挖對橋梁樁基的影響機理

隧道施工擾動地層[12]，除地表沉降對樁基有影響，深層土體變形的影響更大。開挖隧道產(chǎn)生的地層變形會對樁基施加豎向和水平的影響，如圖1樁基與鄰近隧道的開挖關(guān)系。

（1）當樁端位于隧道水平軸線以上時，樁周土體發(fā)生向下的位移，會使樁周產(chǎn)生負摩擦力，樁身軸力增加，沉降增大，樁端土的端承作用降低，樁的承載能力下降，此時樁體以沉降變形為主，側(cè)向彎曲變形和水平變形為輔，尤其是當土體的下沉量大于樁基的下沉量時，嚴重影響樁基的受力狀態(tài)；當樁端位于隧道水平軸線以下時，軸線以上樁周土體向下位移，使樁體發(fā)生沉降，軸線以下樁周土體發(fā)生隆起，使樁體向上位移，土體的上抬會對樁基產(chǎn)生正摩阻力，從而阻止樁基下沉，促使樁基穩(wěn)定，此時樁的兩端受壓，樁體以側(cè)向彎曲變形和水平變形為主，豎向沉降變形為輔。

（2）在垂直于樁體縱軸方向，由于樁體具有一定剛度，隧道周圍土層的移動會因為樁的遮攔作用而發(fā)生變化，靠近隧道一側(cè)的樁周土體移動較大，可能會與樁體發(fā)生脫離，樁側(cè)土壓力大幅度減小，而遠離隧道一側(cè)的樁周土體移動較小，土體與樁體沒有發(fā)生脫離或者脫離程度較小，樁側(cè)土壓力變化不大，這樣樁體兩側(cè)存在較大的土壓力差，也會引起樁體發(fā)生水平位移和彎曲變形，使附加內(nèi)力增加，最終造成樁基承載力的減小。

2 數(shù)值模擬

2.1 樁基與隧道的關(guān)系

以西安地鐵3號線延興門站～咸寧路站區(qū)間隧道和地層條件為例，在DK28+089-DK28+219段地鐵區(qū)間隧道與金花南路（東二環(huán)建工橋）大致呈平行走向，地鐵隧道位于東側(cè)，橋梁基礎(chǔ)為群樁基礎(chǔ)，樁直徑1.5m，樁、承臺、墩身密度2600kg/m3，彈性模量30000Mpa，泊松比0.2，隧道-樁基位置如圖2。

根據(jù)地質(zhì)勘察報告，土層力學參數(shù)如表1所示。

2.2 數(shù)值模型和參數(shù)

采用FLAC3D軟件對該段區(qū)域進行數(shù)值模擬，根據(jù)盾構(gòu)施工對隧道周圍土層影響大小的不同，對模型中不同位置地層的網(wǎng)格劃分疏密程度不同劃分單元，模擬淺埋暗挖法的不同工況，橋梁基礎(chǔ)及周圍土體采用FLAC命令流建立模型，由于地鐵隧道與橋梁走向大致平行，故模型選取1#、2#橋墩樁基礎(chǔ)進行研究，如圖3所示：

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果對比分析

2.3.1 不同工況開挖對地表沉降的數(shù)值分析

由圖4知，開挖后隧道上方土體沉降大致呈對稱分布，地表最大沉降值發(fā)生在兩隧道洞室的頂部，左線洞室上方沉降略大。四種工法中上下臺階法引起的地表沉降最大（最大沉降量為36.69mm）；環(huán)形開挖預(yù)留核心土法次之（最大沉降量為30.31mm）；CRD工法引起的地表沉降較?。ㄗ畲蟪两盗繛?0.16mm）；雙側(cè)壁導坑法最?。ㄗ畲蟪两盗繛?5.30mm）。

2.3.2 不同工況開挖對橋梁樁基影響的數(shù)值分析

Fig.5 Pile foundations displacement graph of four consturction method

由圖5知，地鐵隧道開挖后，引起樁頂沉降及樁頂X軸向位移與距離隧道的長度成反比關(guān)系，1、2號樁頂沉降及X向位移最大，3、4號樁次之，5、6號樁較小，7、8號樁最小。四種施工方法中，上下臺階法產(chǎn)生的影響最大，環(huán)形開挖預(yù)留核心土法產(chǎn)生的影響次之，CRD工法產(chǎn)生影響較小，雙側(cè)壁導坑法產(chǎn)生的影響最小。

3 施工方案優(yōu)化

從上述分析結(jié)果可知，采用上下臺階法引起的地表沉降最大，對橋梁樁基的影響最大；采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法施工引起的地表沉降比臺階法小，對樁基的影響也有所降低；采用CRD法和施工時，對地表及橋樁產(chǎn)生的影響較??；采用雙側(cè)壁導坑法施工時對地表及橋樁產(chǎn)生的影響最小。但CRD法以及雙側(cè)壁導坑法施工速度慢，后續(xù)工序較麻煩，造價高，防水效果較差，主要用于大斷面隧道施工；相比而言，臺階法以及預(yù)留核心土法施工簡便，速度快，后續(xù)工序也較簡便，造價低，用于小斷面施工比較恰當。通過數(shù)值模擬結(jié)果可知，核心土法對鄰近橋樁影響較CRD以及雙側(cè)壁導坑法大，但在可控范圍之內(nèi)，因此綜合考慮各種工法的適用性以及工程成本，本區(qū)間隧道開挖可采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法進行施工，其施工工藝為：超前小導管預(yù)注漿→拱部環(huán)形開挖→拱部環(huán)形初期支護→核心土開挖（必要時施工臨時仰拱）→開挖下臺階→下臺階初期支護→拆除臨時仰拱→二次襯砌。

4 結(jié)論

本文以西安地鐵3號線穿越建工橋為例，采用FLAC3D對淺埋暗挖法施工引起地表沉降和橋梁樁基的位移進行數(shù)值模擬，結(jié)果表明：

（1）淺埋暗挖法施工是城區(qū)地下隧道開挖常用的施工方法，但在施工時必須嚴格遵循“超前，嚴注漿，短開挖，強支護，快封閉，勤量測”十八字方針。

（2）針對西安特有的工程地質(zhì)條件，本區(qū)間隧道開挖主要采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法，該法不僅工藝簡單、施工速度快、工程成本低，而且亦滿足地表和樁基變形的要求，所以對于對變形要求不高的小斷面路段，為了施工方便及經(jīng)濟上獲取更大效益，應(yīng)優(yōu)先考慮預(yù)留核心土法施工。

（3）當隧道開挖斷面大、周邊環(huán)境復(fù)雜且對其變形要求比較高的路段時，基于安全及控制變形的角度考慮，可采用CRD或雙側(cè)壁導坑法進行開挖。

（4）開挖后地表最大沉降值發(fā)生在兩隧道洞室的頂部，由于左洞開挖滯后右洞130m左右，從而引起左線洞室上方沉降略大，所以在實際施工過程中應(yīng)時刻監(jiān)控其變化，且開挖后及時施做撐起，防止頂部變形過大影響施工。

【參考文獻】

[1]漆泰岳.地鐵施工引起地層和建筑物沉降特征研究[J].巖土工程學報，2012.7：1283-1290.

[2]吳波，劉維寧，等.城市地鐵施工近鄰短樁橋基加固效果研究[J].土木工程學報，2006.7：99-103.

[3]楊廣武，趙江濤，蘇潔.地鐵施工對既有橋梁樁基的影響研究[J].都市軌道交通，2014.6（3）：70-74.

[4]吳波，劉維寧，等.地鐵施工方案對鄰近橋基的沉降影響優(yōu)化分析[J].地下空間與工程學報，2006.6：434-437.

[5]Loganathan N， Poulos H G， Stewart D P. Centrifuge model testing of tunneling induced ground and pile deformation[J].Geotec；hnique， 2000，50（3）：283-294.

[6]Shahin Hossain M， Nakai Teruo， Zhang F，et al.Behavior ofground and response of existing foundation due to tunneling[J].Soils and Foundations，011，395-405.

[7]張樹立，黃明利，徐恒國，等.隧道下穿高粱橋差異沉降控制[J].隧道建設(shè)，2007（S1）：548-550.

[8]井景風，王綜勇.砂卵石地層中某盾構(gòu)區(qū)間過橋區(qū)段的方案優(yōu)化[J].隧道建設(shè)，2011.31（2）：208-214.

[9]李文舉，武亞軍，?，?隧道盾構(gòu)施工對鄰近樁基影響的數(shù)值模擬[J].上海人學學報：自然科學版，2010.6（2）：210-215.

[10]何海健，項彥勇，劉維寧.地鐵施工引起鄰近橋梁樁基差異沉降的概率分析[J].巖石力學與工程學報，2007.7：3257-3264.

[11]付宇，朱衍鋒.地鐵施工中新線穿越既有線車站的施工方案研究[J].廊坊師范學院學報（自然科學版），2011.4：55-57.

[12]鄭小雪，漆泰岳.地鐵施工對地表及建筑物的影響[J].巖土工程和地下工程，2009.02：79-81.

[責任編輯：王楠]